STEM理念下防疫主题的机器人教育案例

温剑芳

【摘要】“科学技术是第一生产力，创新是引领发展的第一动力。”学生的科技创新能力培养也是中职教育的重要内容。我校在STEM教育理念下创办的机器人科技社团活动创意无限，成果显著。近期组织的以防疫为主题的机器人设计，作品成果突出。本次分析的机器人教育案例是以医务诊室为承载，具有智能预约、自动消毒、消毒禁入、闯入保护等功能。控制系统采用现今创客常用的掌控板为主控板，配以各种电子模块组成。本文以防疫为主题开展机器人创意制作案例分析。

【关键词】STEM教育理念;防疫主题;机器人

一、机器人作品选题的目的与意义

本次机器人创作以2020年新冠肺炎疫情，特别是在武汉那场没有销烟的战争中，全国人民众志成城，在艰难困苦中与病毒作斗争的防疫为主题，融入思政教育，启发学生的创作灵感。

学生被视频中的情景深深感动。能为他们做些什么呢？经过学生一番的讨论探究，他们初定创作了名为“智能消毒诊室”的作品，期盼将来能为医护人员减轻一点工作的劳累，达到科技创新的目的。

二、机器人作品创作过程

（一）团队组建、协同工作

本机器人创新作品的创作需要系统性规划，需要学生团队合作、共同探究完成。在这项作品的创作中，笔者要求学生以3人为一个团队。组员共同探讨确定技术方案，并根据自身的优势分工，共同攻关技术难点。

（二）调查研究

为对现有诊室的消毒方式有所了解，学生对市内各大医院进行调查研究。医院的诊室消毒大概有两种。第一种，传统没更新的医院诊室，下班时间，人工开关紫外线消毒。第二种，新式的医院诊室使用系统控制同层楼多个诊室的紫外线消毒，系统设定消毒开关时间，紫外线消毒自动开启。消毒水消毒全部使用人工拖地板。

（三）分析讨论，形成方案

作为一个创新作品，与现有的产品相比，必须有自身的创意及优势，才显示它存在的意义。团队分析现有消毒方式的特点及问题，提出改善的方案。在这一过程中发现，现用的诊室消毒自动化仅限于控制紫外线消毒，对防疫必须采取的消毒水消毒没能实现自动化控制。消毒时段控制缺乏灵活性，如，有人闯入缺乏安全保护，紫外线消毒不会终止。

针对以上问题，团队成员积极思考，采用什么技术能解决问题？要做一个具有什么功能的智能消毒诊室呢？成员积极地思考，讨论分析，查阅资料，并与指导教师进行多次的交流。作为指导教师，笔者对学生提出的方案进行技术性的预判，必要时做出提示。学生发散性的思维探究，最终形成方案。

方案是创作一个“智能消毒诊室”，能实现医务室新冠肺炎疫情下常见的消毒过程。先紫外线消毒，然后消毒水雾化，消毒完成后，智能通风。全程控制系统自动完成，无需人工干预。为体现消毒的灵活性，可采用预约消毒和立即消毒方式。為了体现控制的人性化、智能化、便利性，设置实地控制和手机遥控方式控制。对于必要时人员闯入消毒中的诊室，设置了感应时智能中断消毒，间隔时间后恢复消毒的功能。

系统开发核心确定。与现有的单片机、Arduino、掌控板、树莓派等开发系统相比，团队选择开源的、综合性强的、开发时间相对较短的掌控板进行系统开发。

三、思维导图画出系统设计方案

思维导图能简单而极其有效地表达主题下各级的隶属关系。通过思维导图表达系统设计方案，有利于学生记忆、思考，及掌握系统的逻辑关系。成员根据指导教师要求，通过思维导图形式表达智能消毒诊室系统设计方案，如图1所示。该思维导图含有系统的结构、功能，以及使用的技术和电子硬件模块，等等。

四、分工协作，制作作品

团队成员根据各自优势，进行分工。两人负责诊室模型的建造、系统硬件的定位;一人负责电路系统的开发。在这个过程中，指导教师主要是监督学生完成作品的进度情况，鼓励团队探究攻克技术难点，提供学生所需器材、材料和工具，检验作品的功能，对作品进行点评等。

两位组员商讨诊室模型的设计，以医院的诊室为参考。第一步，画出诊室的设计草图。第二步，选择好做诊室的材料，因学校没有激光切割机，学生选用了硬纸皮和彩色卡纸做诊室框架。第三步，细化诊室内部设备，精化诊室的医疗卫生文化，美化诊室环境。第四步，根据硬件控制系统和相关电子模块的大小，合理预设诊室中的放置方位，开孔及试装。

根据设计方案，另一位成员进行电路系统设计。第一步，搭建掌控板为主控板的系统电路，设置各功能模块的I/O分配口。第二步，进行图形化编程，并调试各功能模块。第三步，手机安装Blynk APP，进行手机控制界面设计。第四步，硬件系统安装进诊室模型，调试诊室的完整功能。

五、形成机器人作品成果总结

本次的智能消毒诊室机器人制作完成后，指导教师要求团队以作品研究报告的形式对本次机器人创作进行总结，拍摄作品介绍视频，制作作品创作的PPT并进行演讲。为今后的机器人创作有更好的积累，也为参加各种科技或机器人大赛作准备。

[本文系2018年广东省STEM教育实践研究课题“技能竞赛驱动下中职电气专业STEM课程体系建设研究”（课题编号：2018GDSTEM067）的研究成果]

参考文献：

[1]杨亚平，陈晨.美国中小学整合性STEM教学实践的研究[J].外国中小学教育，2016（5）.

[2]余胜泉，湖湘.STEM教育理念与跨学科知识整合模式[J].开放教育研究，2015（4）.

[3]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育，2016（4）.

责任编辑  罗燕燕